发动机冷却系统性能评估方法及正向设计应用

刘佳鑫，王宝中，龙海洋，蒋炎坤

(1.华北理工大学机械工程学院，河北 唐山 063009；2.华中科技大学能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074)

发动机冷却系统性能评估方法及正向设计应用

刘佳鑫1,2，王宝中1，龙海洋1，蒋炎坤2

(1.华北理工大学机械工程学院，河北 唐山 063009；2.华中科技大学能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074)

工程车辆；冷却系统；匹配；评价方法

工程车辆工作时具有驱动功率大、速度低等特点，此时发动机负载较高，系统产生热量较多，冷却液中的热量需经过冷却系统散失至环境之中。当环境温度较高时，发动机机体温度随之升高，导致整车故障怠工。之所以出现这种现象，小部分原因是由于产品维护不及时、使用工况恶劣、加工质量较差等因素，大部分原因则是产品正向设计过程中冷却系统匹配效果不佳，致使性能不理想。工程车辆冷却系统核心部件通常由冷却风扇与散热器组成，对于两者单体性能研究已经陆续取得了较多成果。然而，如何将两者整合至一个评价指标之中，实现对冷却系统评价，进而对产品设计快速而有效地指导，也成为了一个受到广泛关注的问题。

国内外学者针对这一问题展开了多种方式的探讨和研究。1997年，Arne Andersson[1]以车辆动力舱中的冷却风扇与散热器安装位置为研究对象，通过试验确定风扇与散热器安装位置带来的性能变化；Tim Juan[2]以空气流量作为评估手段对散热器与风扇之间定位关系进行了分析；Felix Regin[3]以计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)数值分析为手段对乘用车动力舱内的冷却系统性能进行了评估；Kishor Udawant[4]以散热器实际工作性能为前提对冷却风扇进行了重新设计；Mahmoud Khaled[5]采用激光感温的方式对冷流体侧出口处的空气温度进行监测，将监测结果进行逻辑运算，输出并调整风扇转速；Timothy[6]则将一维和三维分析有效结合，实现对产品性能的预估。国内对于这方面较早展开研究的有浙江大学俞小莉教授[7]、吉林大学秦四成教授[8]、装甲兵工程学院毕小平教授[9]及中科院工程热物理研究所、上海交通大学、北京航空航天大学等团队和机构，也相应地取得了较多成果：对多个散热器间距、散热器位置排布规律等进行研究，具有较大的经济和学术价值；发现了动力舱热源布置、散热器自身特征对冷却系统性能的影响规律；总结了空气流道阻力特征及其对冷却性能的影响。这些研究成果大部分都是以流出散热器的冷却液温度或空气流量作为评价指标，通过对冷却系统试验或仿真进行评价。

1 散热器评价方法

1.1熵产单元数

由于传热属于不可逆过程，所以熵产数会增加。基于该现象，A. Bejan提出了熵产单元数Ns(Number of Entropy Production Units)这个概念，具体计算公式如下[10-11]：

吴双应等[12]将模型应用于散热器，具体如下：

式中：Cpc，Cph分别为冷热流体的比定压热容；Tco，Tho分别为冷热流体的出口温度；Tci，Thi分别为冷热流体的入口温度；mc，mh分别为冷热流体的质量流量。

2 冷却系统评价方法

2.1冷却风扇性能特征

作为工程车辆的冷却系统核心部件之一，冷却风扇与散热器相互配合，实现冷却系统与环境的热量传递。冷却风扇性能可以使用静压(全压)、静压效率(全压效率)、空气流量等参数表征。工程车辆冷却系统匹配时经常使用静压等表征性能[13]：

式中：Pz为风扇轴功率；ps为风扇静压；ηs为静压效率；ρc为空气密度；Gc为空气质量流量；n为结构传动系数，依据风扇连接方式取不同数值，冷却风扇采用机械驱动时为0.98，采用液压驱动时则为0.95[13]。

受散热器与流道阻力影响，空气实际流量均略小于理论值[14]，将实际流量与理论流量的比值设为k：

进一步推导得：

Gactual=kGc。

当冷却风扇转速一定时，不同流量下的冷却风扇轴功率在特定数值上下波动。因此，当流量变化时，轴功率近似相等，则

以上各式中：Gactual，ηactual分别表示冷却风扇实际工作时的体积流量、静压效率。在实际工作时，风扇静压值与流量相比，较难获取，因此，对式(7)进行变化，可得

则冷却风扇提供的冷空气质量流量为

另外，在轴功率、静压值不变的前提下，实际静压效率与理论静压效率关系式为

ηactual=kηs。

2.2基于熵产单元数的评价方法

将式(9)代入式(2)，可得

由式(11)可以看出，在熵分析中，将冷流体侧即冷空气侧的质量流速进行变换，利用冷却风扇性能特征，将冷却风扇参数与散热器评价指标结合，计算所得熵产单元数可用来评价冷却系统性能。

将式(9)代入式(3)，可得

3 正向设计实例及匹配优选

结合式(5)至式(12)对冷却系统进行评估，具体流程见图1。依据目前现有的处理方法，可将流程划分为两种：1)结合散热器试验参数，将其阻力特征转换为仿真边界，利用CFD获取实际空气流量，运用风扇和散热器试验数据进行指标计算(见图1a)；2)利用散热器冷热流体侧微流道，计算散热器换热和阻力性能并转换为计算边界，运用CFD进行计算，得到计算所需边界条件，进而实现最终指标价。这两种流程中，前者适用于风扇与散热器的试验数据较为充分的情况，其特点是在产品设计中可以实现快速评价。本研究为验证实例中求解模型的正确性，需使用热流体出口温度作为验证标准，故采用第二种流程。

图1 工程车辆冷却系统评价流程

3.1结果验证与k值获取

在计算流程中较为重要的是获取冷却风扇所能提供的实际空气质量流量。因此，以国内某双钢轮振动压路机为例，对其冷却系统进行评价，试验样机的技术参数见文献[15-19]。

将CFD仿真结果与试验结果进行对比，结果见表1[16-22]。由结果可知，中冷器、冷却液散热器、液压油散热器热流体温度误差分别为3.15%，4.07%，2.83%。误差在合理范围内，仿真模型较为准确。在模型中提取的空气体积流量值约为2.85 m3/s，匹配的理论体积流量为3.43 m3/s，计算后k值约为0.84。

表1 试验与仿真结果对比

3.2正向设计下的匹配优选

Pz，n，ηs，ρc，ps，k，Tco，Tci，Tho，Thi，T0均为计算变量，当同一车辆工况保持不变时，其中Tco，Tci，Tho，Thi，T0，n近似认为不变，空气密度、比定压热容表达为关于环境温度T0的函数[15]：

Cpc=1 003+0.02T0+4×10-4T02。

则剩余变量为Pz，ηs，ps，k。其中k由三维仿真获得，则最终剩余变量为Pz，ηs，ps。

结合实例，计算三者函数关系，绘制云图(见图2)。由图2可知，低静压、高静压效率区域轴功率较小，在定熵产数的前提下，出于系统节能的考虑，选型时应尽量选择参数在该区域内的冷却风扇，这与常识相符。同时，通过观察可知同静压值时，随着静压效率减小，轴功率非线性增大，静压值越大，轴功率变化幅度越大。当静压效率相等时，轴功率随静压值增大而增大，静压效率越小，变化幅度越大。根据图中趋势，以降低能耗为前提，选型中应尽量选择略大于散热器阻力值、静压效率较高的冷却风扇，这与传统的选型设计法相符。这也进一步证明，熵产单元数评估方法在定熵产数前提下可在正向设计中实现与选型设计法相类似的冷却风扇匹配优选，非定熵产单元数的前提下可实现多系统匹配后性能评估与评价。

图2 静压、静压效率与轴功率之间的函数关系

4 结论

b) 在试验验证的前提下，可应用三维CFD模拟获得实际的空气体积流量与理论空气体积流量的比值k，但该值仅适用于初步选型时计算指标使用，更换风扇后需重新计算获取，其值可以直接应用于评价指标之中；

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PerformanceEvaluationandTop-DownDesignofEngineCoolingSystem

LIU Jiaxin1,2,WANG Baozhong1,LONG Haiyang1,JIANG Yankun2

(1.College of Mechanical Engineering, North China University of Science and Technology,Tangshan 063009,China; 2.School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

Engine cooling system of construction vehicle usually consists of cooling fans and radiators. Based on the entropy and exergy efficiency evaluation parameters of radiator, cooling fan was introduced as an element of evaluation objects to realize the evaluation of cooling system. The method was applied to top-down design of domestic double-dun vibration road roller, which made optimization and selection of cooling fan come true. The results show that the cooling system can be evaluated by considering the cooling fan and radiator together and using the air volume flow rate as public variable. According to 3D simulated results, the heat flow temperature error of intercooler, coolant radiator and hydraulic oil is 3.15%, 4.07% and 2.83% respectively. The acquired actual air volume flow rate plays an important role in the whole performance evaluation and product design. Accordingly, the method can be used for cooling fan selection optimization during the top-down design.

construction vehicle;cooling system;match;evaluation method

2017-05-17；

2017-07-10

湖北省技术创新专项基金自主项目(2016AAA045)；博士科研启动项目(28406999)

刘佳鑫(1983—)，男，博士，主要研究方向为工程车辆节能降噪技术研究；xcmgljx@163.com。

王宝中(1966—)，男，副教授，硕士，主要研究方向为机械学；wbzhong@ncst.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.05.002

U415.521

B

1001-2222(2017)05-0006-05

[编辑： 袁晓燕]